BN型环境友好易切削钢的基础研究

As an important material for national economy, free cutting steel is very useful for machining, household appliance and automobile. At present, free cutting steel is mainly divided into two categories: lead series and sulfur series. Non-metal elements deliberately added in those series decrease steel quality, pollute the environment and cause serious injuries to the health of operators..Thereby it is urgently required to make innovations on cutting mechanisms and develop a new generation of environment-friendly free cutting steel. Our research group's early stage of experiments indicate that BN free cutting steel not only can improve the cutting machinability but also avoid the negative effects on steel quality and the environment. However, due to the lack of foundational research that using BN as free cutting particle domestically and internationally, the development of this environment-friendly free cutting steel is severely restricted. Therefore, we apply for a systematic foundational theory study and experiment research of BN free cutting steel, to clarify the mechanism that how BN particles improve the cutting performance. Meanwhile, both the control of B and N content and the critical dimension and changing regularity of BN particle will be obtained by the systematic theoretical calculation and bench-scale experiment, to improve machinability, quality and reduce environmental pollution, and eventually to help free cutting steels development in our country achieve the international advanced level.

易切削钢是重要的机加工、家电、汽车用钢，在国民经济中占有重要地位。目前国内外使用的易切削钢主要是Pb、S系列，主要问题是这些易切削元素既影响钢的质量、又污染环境，也严重损害操作人员的健康。因此迫切需要发展新一代的环境友好型易切削钢，从易切削机理上进行重大创新。本课题组前期的实验研究工作表明，BN易切削钢完全可以达到既改善钢材的切削性，又可以解决传统易切削钢对钢材质量和环境的不利影响。但是由于对BN型易切削钢的基础理论研究还是空白，严重影响了这种环境友好型易切削钢的发展。因此本申请拟对被称为"白色石墨"的BN易切削钢进行系统的基础理论和试验研究，深入研究和揭示BN粒子改善钢的易切削性能的机理，同时通过系统的理论计算和实验室试验，掌握B、N的控制和BN粒子改善易切削性的临界条件和变化规律，达到既改善易切削性，又不恶化钢的内部质量、同时减少环境污染的目的，使我国易切削钢的研发达到国际先进水平。

易切削钢是一类重要的特殊钢，被广泛应用于汽车工业，机械加工等领域。目前市场上的易切削钢主要是硫系和铅系易切削钢，这两种钢都含有对环境污染严重的易切削元素(S, Pb)。而且硫的使用造成钢材质量的下降。因此急需开发新型的高质量环境友好型易切削钢，提升钢材附加值，减少环境污染。本项目利用热力学，动力学理论计算，结合实验室热态实验，真空感应炉实验，切削实验，机械性能测试实验及热塑性实验，同时借助一系列表征手段，对以下四个方面的内容进行了详细研究：钢中BN粒子形成机理研究；BN钢切削性能与机械性能研究；BN-S复合易切削钢夹杂物共存机理及复合易切削钢性能研究；BN易切削钢热塑性研究。研究发现B, N在凝固前沿大量富集，局部浓度增加，达到临界浓度，BN匀质形核析出，钢液中存在成核点时，BN在其表面以异质形核的方式均匀析出，钢中的Al2O3, 球形的MnS粒子可以作为BN的形核核心。基于扩散作用BN长大到2~3μm，后期以碰撞结合（自身碰撞或和其他粒子碰撞）的方式长大。研究表明BN可以改善钢的可加工性，控制BN粒子尺寸在2~4μm或12~14μm可达到优异的切削加工性能改善效果。纳米探针压痕实验辅助揭示了BN改善钢的切削性能机理。钢中的BN粒子对钢的强度等常温力学性能影响不大。BN+MnS复合易切削钢中，易切削粒子或单独存在或复合存在。复合存在时，BN，MnS相互碰撞或彼此包裹。BN可以显著改善钢的切削性，1000ppm S和115ppm B,240ppm N的复合切削效果，包括钻削和车削，皆优于2000ppm S的效果。BN+MnS复合易切削钢的屈服强度和抗拉强度高于MnS易切削钢。.BN易切削钢在实验温度700~1200℃范围内断面收缩率基本皆在60%以上，较对比钢有较大幅度的提高，BN易切削钢拉伸试样皆为韧性断裂，而对比钢主要为沿晶界脆性断裂。提出了BN易切削钢热塑性改善机制。总之，通过对BN粒子的生长机理及BN新型易切削钢的系统性研究表明BN粒子作为易切削粒子生产BN系新型易切削钢可行，BN粒子对钢材切削性能改善作用明显，对钢材机械性能影响较小。因此，BN新型易切削钢潜在商业价值巨大，对提高钢材附加值，减少环境污染意义重大。